基于APOS理論的生物學(xué)概念教學(xué)
——以“基因突變”為例

張彩云 趙佩資 李秋石，*

(1河北師范大學(xué)教師教育學(xué)院 石家莊 050024； 2河北省武安市第一中學(xué) 武安 056300)

美國的教育學(xué)家杜賓斯基提出的APOS理論是一種以建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)的教學(xué)理論。在該理論的指導(dǎo)下，教師可以讓學(xué)生通過“活動(action)—過程(process)—對象(object)—圖式(scheme)”四個階段自主構(gòu)建知識。通過這樣的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生主動地去獲取知識，教師幫助學(xué)生完成對知識的自主構(gòu)建。APOS理論作為一種概念教學(xué)的指導(dǎo)理論，以創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生認(rèn)知、適合學(xué)生發(fā)展的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生完成知識的構(gòu)建。本文基于APOS理論嘗試對高中生物學(xué)重要概念“基因突變”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，通過該探究過程歸納總結(jié)出基于APOS理論的高中生物學(xué)概念教學(xué)的一些實施經(jīng)驗，以期生物學(xué)教師可以從中對生物學(xué)概念教學(xué)生成新的認(rèn)識。

1 A： 活動(action)階段

活動階段是通過一些外部的刺激來幫助學(xué)生建立起直觀背景與抽象概念之間的關(guān)系。外部的刺激指的就是教師在教學(xué)過程當(dāng)中設(shè)計的教學(xué)活動或創(chuàng)設(shè)的問題情境。當(dāng)然，這里的“活動”是不能片面地把它理解為狹義的活動概念，因為它不單單只是包括了外顯的具體活動(如進(jìn)行實驗、動手操作等)，也含有頭腦中的思維過程(如猜想、回顧)[1]。

導(dǎo)入： 利用多媒體展現(xiàn)與變異有關(guān)的圖片和兩則材料：

資料1： 一種甘藍(lán)品種當(dāng)在北京進(jìn)行種植時，食用部分最重的會達(dá)到3.5 kg，但是如果將該品種引入拉薩，因為環(huán)境產(chǎn)生的差異，食用部分可達(dá)7 kg。但再引回北京后，食用部分又變?yōu)楹鸵郧耙粯拥闹亓俊?/p>

資料2： 太空椒的果實要顯著大于普通青椒，而且太空椒的種子種下去后結(jié)出的果實也一樣比普通青椒大很多。

經(jīng)過對兩則材料的剖析，從中提取出有價值的信息。而后教師引導(dǎo)學(xué)生知道由環(huán)境變化引起的不可遺傳變異和因為遺傳物質(zhì)發(fā)生變化導(dǎo)致的可遺傳變異，認(rèn)識到可遺傳變異包括三個方面，分別是： 基因突變、基因重組和染色體變異，從而導(dǎo)入課題“基因突變”。

知識回顧： 因為血紅蛋白在紅細(xì)胞中起著運(yùn)輸氧氣的重要作用，所以紅細(xì)胞的數(shù)目在血細(xì)胞中是最多的。教師提供控制血紅蛋白合成的一段DNA序列(—GGG CTT CTT TTT—)，請一位學(xué)生根據(jù)這段DNA序列進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯，并用堿基和氨基酸的磁貼在黑板上展示出來(圖1)。

圖1 學(xué)生的展示結(jié)果

通過這個小活動，學(xué)生可以回憶起上一章節(jié)學(xué)過的關(guān)于基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的知識，即轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程，為下面知識的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

感知概念： 在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生對給出的這一段控制血紅蛋白合成的DNA序列進(jìn)行堿基的替換，并對替換后的DNA序列進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯，而后讓學(xué)生用磁貼進(jìn)行展示(圖2～4)。

圖2 將6號位點的A─T堿基對被G─C堿基對替換

圖3 將5號位點的A─T堿基對被T─A堿基對替換

圖4 將4號位點的G─C堿基對被T─A堿基對替換

教師和學(xué)生共同分析上述展示結(jié)果： 通過與正常情況的比對，可以看到6號位點的A─T堿基對被G─C堿基對替換后，其編碼的mRNA鏈雖發(fā)生了變化，但是指導(dǎo)合成的氨基酸序列沒有任何的變化產(chǎn)生。學(xué)生聯(lián)系前面學(xué)過的密碼子簡并性的相關(guān)知識，能夠知道： 使正常的DNA序列中的堿基對被替換后，氨基酸的種類可以不發(fā)生變化。

5號位點的A─T堿基對被T─A堿基對替換后，mRNA和氨基酸都發(fā)生了變化。所以，堿基對的替換是可以造成氨基酸也被替換的，進(jìn)而導(dǎo)致蛋白質(zhì)的變化。

4號位點的G─C堿基對被T─A堿基對替換后，終止密碼子UGA就會在mRNA鏈中提早出現(xiàn)，進(jìn)而使翻譯工作也會提前終止。

針對上面探討的幾種堿基對替換的情況，師生總結(jié)歸納得出： 替換一定會使基因的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，但生物性狀是否變化還得看氨基酸有沒有發(fā)生改變，同時替換也有可能導(dǎo)致翻譯提前終止。

教師繼續(xù)指導(dǎo)學(xué)生在給出的這一段控制血紅蛋白合成的DNA序列中任意缺失或者增添堿基對，并對缺失或增添后的DNA序列進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯，并看一下氨基酸序列會因此受到什么樣的影響(圖5～6)。

圖5 缺失(第6位堿基對缺失)

圖6 增添(第10位堿基對增添)

學(xué)生經(jīng)過多次嘗試，經(jīng)過與正常的氨基酸序列的比較，能夠知道缺失或增添堿基對后，多肽鏈發(fā)生的變化是相當(dāng)大的，自然生物的性狀也就會產(chǎn)生巨大的改變，這種改變所造成的影響一般情況下是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于堿基對的替換的。不管是堿基對的增添還是缺失對氨基酸序列的影響都是不影響插入或缺失位置前的序列而影響其后的序列。

在教師的一步步引導(dǎo)下，幫助學(xué)生深入?yún)⑴c活動，認(rèn)真思考，勇于探究。通過活動的進(jìn)行，完成對基因突變概念的感知。

2 P： 過程(process)階段

過程階段是對活動階段所進(jìn)行的“活動”一次次的反復(fù)與分析，需要說明的是，這里的重復(fù)不是真的再去把活動重新進(jìn)行，而是指的一種心理的操作，直到形成一種“程序”模式，再通過思維上不斷地內(nèi)化、壓縮與提煉[1]，抽象出概念的本質(zhì)特征。

總結(jié)歸納： 學(xué)生對活動階段進(jìn)行的活動不斷地反思與總結(jié)，然后可以初步表達(dá)出基因突變的概念，教師再請學(xué)生發(fā)言，大家在課堂上進(jìn)行交流。

學(xué)生錯誤答案1： DNA序列中堿基對的替換、增添和缺失，引起的性狀改變。

學(xué)生錯誤答案2： 基因突變是基因中堿基對的替換、增添和缺失。

學(xué)生錯誤答案3： 基因的增添、缺失和替換，就稱為基因突變。

教師根據(jù)學(xué)生的回答，指出錯誤之處，并進(jìn)行修正，然后教師板書正確基因突變的概念，并強(qiáng)調(diào)突變發(fā)生的位置和造成的結(jié)果。

幫助學(xué)生在活動和關(guān)鍵易錯點辨析的基礎(chǔ)上構(gòu)建出基因突變的精準(zhǔn)概念，落實概念的生成，實現(xiàn)對學(xué)生的歸納總結(jié)與表達(dá)和交流能力的提升。

3 O： 對象(object)階段

對象階段是把之前過程階段所進(jìn)行的“過程”看作是一個具體而又獨立的對象[2]，認(rèn)識到它的本質(zhì)和一些其他的性質(zhì)，不斷概括升華，最終使其產(chǎn)生精煉而又準(zhǔn)確的符號、定理或者定義[2]。

病因分析： 鐮刀型細(xì)胞貧血癥是教材中的經(jīng)典內(nèi)容，所以自然要讓學(xué)生對該病的病因進(jìn)行仔細(xì)的分析，進(jìn)而把基因突變的概念理解地更為透徹。

學(xué)生閱讀教材相關(guān)文字和圖片以及教師提供的資料。

資料3： 1949年，美國的鮑林經(jīng)過研究最先提出： 紅細(xì)胞的形狀之所以發(fā)生變化就是因為血紅蛋白結(jié)構(gòu)的改變。

資料4： 1956年，英國的英格拉姆發(fā)現(xiàn)患有鐮刀型細(xì)胞貧血癥的人體內(nèi)構(gòu)成血紅蛋白的氨基酸序列某一處存在異常： 纈氨酸把原來的谷氨酸代替了。

小組活動： 閱讀相關(guān)資料后，以小組的形式學(xué)生開始進(jìn)行交流，分析填寫圖7關(guān)于鐮刀型細(xì)胞貧血癥病因的內(nèi)容。

圖7 病因探究圖

通過分析與交流，師生可以得出結(jié)論： 該病癥的直接原因就是纈氨酸替代了正常血紅蛋白第6位上的谷氨酸，而根本原因則是控制血紅蛋白合成的DNA序列上的T─A堿基對被A─T堿基對所替換。

教師再介紹囊性纖維病的形成(堿基對的缺失)和皺粒豌豆的形成(堿基對的增添)進(jìn)一步幫助學(xué)生理解基因突變。教師拓展課外小知識： 青光眼與基因變異。

回顧上面介紹的幾個基因突變的實例，師生總結(jié)得出如下結(jié)論： 正是因為控制蛋白質(zhì)合成的DNA中發(fā)生了堿基對的變化，使DNA發(fā)生異常，在轉(zhuǎn)錄過程中mRNA才會異常，進(jìn)而翻譯過程中氨基酸可能發(fā)生變化、形成的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，最終性狀改變。

經(jīng)過活動與交流，學(xué)生能夠掌握造成鐮刀型細(xì)胞貧血癥的原因，另外課外科學(xué)小知識的擴(kuò)展進(jìn)一步增加了課堂的趣味性，學(xué)生可以更好地實現(xiàn)對概念的理解。

認(rèn)識本質(zhì)： 基于剛剛對鐮刀型細(xì)胞貧血癥的病因的探討以及學(xué)過的有關(guān)基因、DNA本質(zhì)的知識，教師說明： 基因突變的實質(zhì)是影響了脫氧核苷酸的排列順序，而基因的數(shù)量并未發(fā)生改變。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考： DNA結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的時候易發(fā)生突變，所以同學(xué)們想一想基因突變最有可能發(fā)生的時期？學(xué)生思考后得出： 有絲分裂間期和減數(shù)第一次分裂前的間期。教師繼續(xù)提問： 基因突變一定可以遺傳給后代么？學(xué)生聯(lián)系前面學(xué)到的減數(shù)分裂的內(nèi)容，經(jīng)過教師的引導(dǎo)得出： 發(fā)生在配子中的基因突變，是可以按照遺傳規(guī)律把這種變異傳給下一代的，但如果基因突變是發(fā)生在生物的體細(xì)胞中的，一般情況下是不可以傳給下一代的[3]。

4 S： 圖式(scheme)階段

圖式階段是把前面三個階段真正的完成以后，將已有的圖式結(jié)構(gòu)與新學(xué)的知識進(jìn)行重新的整合，形成一個新的綜合的圖式[3]，用來處理涉及到這個概念的一些問題。

運(yùn)用： 學(xué)生對剛剛學(xué)習(xí)到有關(guān)基因突變的知識點進(jìn)行梳理，構(gòu)建本堂課的知識體系(圖8)。

圖8 基因突變知識體系圖

再通過新情境下的測評，提高學(xué)生的知識運(yùn)用能力，讓所學(xué)的知識在實際問題的解決中得以體現(xiàn)，既能檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，也能增強(qiáng)學(xué)生的信心。新情境下測試的解決需要知識的綜合處理，進(jìn)而促進(jìn)“圖式”的生成。